Web zaobserwował ślady populacji gwiazd Wolfa-Rayeta niecałe 3 miliardy lat po Wielkim Wybuchu

Analizując światło sprzed około 11 miliardów lat zarejestrowane przez Teleskop Webba, które pochodziło od soczewkowanej grawitacyjnie galaktyki Błysk Słońca (j.ang. Sunburst galaxy) - astronomowie odkryli ślady populacji gwiazd Wolfa-Rayeta w gwiazdowej protogromadzie kulistej. Wcześniej w tej samej galaktyce zaobserwowano najjaśniejszą znaną nam gwiazdę zwaną Godzillą.

Przypadkowo kilka lat temu została odkryta bardzo interesująca galaktyka podczas obserwacji gromady galaktyk PSZ1 G311.65-18.48 w gwiazdozbiorze Rajskiego Ptaka (łac. Apus). Ta „galaktyka-niespodzianka” okazała się bardzo jasna. A jej obraz jest „skopiowany” dwunastokrotnie na niebie dzięki osobliwej strukturze grawitacji ww. gromady galaktyk.

Potocznie nazwano ją galaktyką Błysk Słońca (ang. Sunburst galaxy / Sunburst Arc) i widzimy, jak wyglądała około 11 miliardów lat temu – co odpowiada kosmologicznemu przesunięcie ku czerwieni „z”=2,37 (dla porównania – nasze Słońce widzimy  tak, jak wyglądało około 500 sekund wcześniej). Jest to więc imponująca odległość, którą pokonały fotony z galaktyki Błysk Słońca.

Znajdujące się przed Błyskiem Słońca, potężne pole grawitacyjne gromady galaktyk, od której światło leciało do nas około 4,6 miliarda lat (z=0,443) działa jak soczewka grawitacyjna. Ta „soczewka” powoduje wzmocnienie jasności galaktyki Błysk Słońca, zwielokrotnienie jej obrazu oraz nadanie kształtu łuku – czemu zawdzięcza nazwę (jedno z określeń w j.ang. Sunburst Arc).

​

Na ilustracji: Widać masywną gromadę galaktyk PSZ1 G311.65-18.48 w gwiazdozbiorze Rajskiego Ptaka (łac. Apus), od której światło biegło do nas 4,6 miliarda lat (z=0,443). Mniej więcej na zewnętrznej granicy tej gromady widać cztery łuki świetlne, które są zwielokrotnionymi obrazami tej samej galaktyki zwanej potocznie Błyskiem Słońca - widzimy ją tak, jak wyglądała około 11 miliardów lat temu (z=2,37). Zdjęcie zostało zrobione przez Teleskop Hubble’a w czterech barwach w zakresie optycznym i podczerwieni (długości fali λ~0,275-1,6μm). W galaktyce Błysk Słońca zaobserwowano najjaśniejszą znaną nam gwiazdę zmienną typu LBV, którą nazwano Godzillą. Źródło: ESA/Hubble, NASA, Rivera-Thorsen et al.

Cztery łuki rozciągnięte wokół centralnie rozmieszczonej gromady galaktyk zawierają dwanaście oddzielnych kopii obrazów tej samej galaktyki Błysk Słońca! Na przykład na poniższym zdjęciu widać pięć kopii wskazanych strzałkami, które znajdują się w łuku północnym i północno-zachodnim.

W publikacji o bardzo szczegółowym temacie badań
„Łuk Błysku Słońca w JWST: detekcja gwiazd Wolfa Rayeta wyrzucających azot do gwiazdowej proto-gromady kulistej o niskiej metaliczności i kosmologicznym przesunięciu ku czerwieni z=2.37, z której uciekają jonizujące fotony”
astronomowie opisali wyniki analizy pewnego specyficznego obszaru, który nazwano gromadą z galaktyki Błysk Słońca emitującą promieniowanie w kontinuum Lymana, czyli o długości fali λ<912Å .
Celem tych badań było poznanie właściwości gwiazd i materii gazowej w galaktykach we wczesnym Wszechświecie.

​

Na ilustracji: Kolorowy obraz dwóch fragmentów (północny + północno-zachodni) soczewkowanej galaktyki Błysk Słońca uzyskany za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam. Strzałki wskazują na pięć kopii rodzącej się w tej galaktyce gromady kulistej, czyli proto-gromady kulistej (ang. proto-globular cluster), w której zaobserwowano linie widmowe charakterystyczne dla gwiazd Wolfa Rayeta. Kolorowe kwadraty wskazują na pola obserwacyjne spektrografu NIRSpec, którego widma zostały wykorzystane do badania tej proto-gromady kulistej. Źródło: arXiv:2404.08884 [astro-ph.GA]

Cała wiedza w widmach

Astronomowie badający galaktyki bardzo często nie potrzebują ładnych zdjęć (chociaż ładne zdjęcie również może być przydatne), ale całe bogactwo wiedzy jest ukryte w widmach, czyli zdjęciach natężenia światła docierającego od tych obiektów w zależności od koloru – zwanej naukowo „długością fali” (zwykle oznaczenie grecką literą lambda „λ”). Na przykład z fragmentów widma galaktyki Błysk Słońca uzyskanych za pomocą Teleskopu Webba, astronomowie dowiedzieli się jak masywna jest ta galaktyka, z jakich składa się pierwiastków, jakiego rodzaju gwiazdy w niej świecą.

Na poniższej ilustracji pokazano fragment widma galaktyki Błysk Słońca, w którym prawie każdy „kolec” jest linią emisyjną. Tak dobrej jakości widmo było możliwe do uzyskania tylko dzięki połączeniu następujących czynników:
    • niezwykła jasność galaktyki Błysk Słońca (dodatkowo wzmocniona soczewkowaniem grawitacyjnym),
    • niespotykane możliwości Teleskopu Webba,
    • czas naświetlania samej galaktyki - ponad pół dnia.

​

Na ilustracji: Czarna ciągła linia przedstawia widmo proto-gromady kulistej w galaktyce Błysk Słońca uzyskane z jej dwunastu kopii obrazów za pomocą spektrografu NIRSpec współpracującego z JWST. Prawie wszystkie „kolce” na tym widmie są liniami emisyjnymi. Zakreślone na niebiesko i pomarańczowo obszary są jakby „garbami” w widmie – a faktycznie liniami emisyjnymi, które są ważnymi wskaźnikami identyfikującymi gwiazdy Wolfa-Rayeta. Źródło: arXiv:2404.08884 [astro-ph.GA]

Szerokość tych widmowych linii emisyjnych zależy od masy świecącego obiektu. W szczególności gromada z galaktyki Błysk Słońca emitująca promieniowanie w kontinuum Lymana posiada masę około 9 milionów mas Słońca. Więc jest to bardzo masywna i zwarta gromada gwiazdowa podobna na przykład do gromady kulistej Omega Centauri w naszej Drodze Mlecznej. Zaś liczbę gwiazd Wolfa-Rayeta w tej proto-gromadzie kulistej astronomowie oszacowali na ~700.

Stosunki natężeń niektórych linii widmowych mówią nam również o metaliczności tego ciała niebieskiego. W szczególności gromada z galaktyki Błysk Słońca - emitująca promieniowanie w kontinuum Lymana , posiada dość niską metaliczność – mniej niż 20% metaliczności słonecznej. Ale jest wyjątek – ta pierwotna gromada kulista jest ekstremalnie bogata w azot. W rzeczywistości poziom wzbogacenia materii w azot jest znacznie wyższy niż to, co obserwujemy przy podobnej metaliczności w galaktykach w naszej okolicy Wszechświata, czyli dla kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni z=0.

Skąd pochodzi cały ten azot w proto-gromadzie kulistej?

Jedno z przekonujących wyjaśnień tego tajemniczego nadmiaru azotu podpowiada się w obszarach zamalowanych na niebiesko i pomarańczowo na powyższej ilustracji. Tutaj oko eksperta wyłapie natychmiast, że te kolorowe garby spektralne odpowiadają sygnaturom specyficznej populacji gwiazd zwanych gwiazdami Wolfa-Rayeta.

Gwiazdy Wolfa-Rayeta są bardzo masywnymi i gorącymi gwiazdami w zaawansowanych stadiach ewolucyjnych, które mogą wyprodukować ekstremalnie duże ilości azotu i wyrzucić go do najbliższego otoczenia wokółgwiazdowego poprzez silne wiatry gwiazdowe.

Galaktyka Błysk Słońca nie jest ostatnio jedynym przypadkiem ekstremalnej nadobfitości azotu, którą obserwujemy we wczesnym Wszechświecie. Na przykład Teleskop Webba zarejestrował bardzo silne linie azotu w galaktyce GN-z11 (przesunięcie ku czerwieni z=11,1), które astronomowie próbują wyjaśnić między innymi obecnością hipotetycznych bardzo masywnych gwiazd / supermasywnych gwiazd (~100-1000 M_ʘ / ~1000–100 000 M_ʘ).

Nie jest to również pierwszy raz, gdy gwiazdy Wolfa-Rayeta są uważane za potencjalną przyczynę tej nadwyżki azotu. Jednak po raz pierwszy obserwacje galaktyki Błysk Słońca są bezpośrednim dowodem na obecność gwiazd Wolfa-Rayeta w odległym Wszechświecie.
Do tej pory pojedyncze gwiazdy Wolfa-Rayeta były obserwowane w odległościach nie większych niż ~5 Mpc. Natomiast najdalsze ślady populacji gwiazd Wolfa-Rayeta zaobserwowano dla kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni z~0,5 (fotony z takiej odległości dotarły do nas po około 5 miliardach lat od ich emisji). Na przykład w galaktyce SDSS J150009.81+452844.4 (przesunięcie ku czerwieni z=0,4530) oszacowano populację gwiazd Wolfa-Rayeta na około 450 tysięcy na podstawie obserwacji spektroskopowych.

Gwiazdy Wolfa-Rayeta najczęściej występują o obszarach Wszechświata o dużej metaliczności, ale spotyka się je również w galaktykach o niskiej i nawet ekstremalnie małej metaliczności – takiej jak np. galaktyka I Zwicky 18 (zaledwie 2% metaliczności słonecznej). Co oznacza, że takie gwiazdy pozbawione zewnętrznych otoczek łatwo powstają - pomimo zależności tempa utraty masy przez wiatry gwiazdowe od metaliczności (im większa metaliczność – tym większe tempo utraty masy). Przypuszcza się, że przy małych metalicznościach szczególnie ważne są ścieżki ewolucyjne w gwiazdowych układach podwójnych.

Wydaje się, że ten rodzaj masywnych i zaawansowanych ewolucyjnie gwiazd odgrywał istotną rolę podczas pierwszych kilku miliardów lat po Wielkim Wybuchu w procesie wzbogacania galaktyk w cięższe pierwiastki. Ma to duże znaczenie dla naszego zrozumienia ewolucji galaktyk.

Oprócz odkrycia nadwyżki azotu opisanej w niniejszym materiale i wcześniej odkrytej najjaśniejszej znanej aktualnie gwieździe (~134 mln L_ʘ) o nazwie Godzilla, dowiedzieliśmy się, że galaktyka Błysk Słońca wygląda niesamowicie w dwunastu kopiach swojego obrazu naświetlanego przez ponad pół dnia w JWST.

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Więcej informacji: 

• (publikacja naukowa arXiv – docelowo A&A) → The Sunburst Arc with JWST: Detection of Wolf-Rayet stars injecting nitrogen into a low-metallicity, z=2.37 proto-globular cluster leaking ionizing photons
•  The photocopied “sunburst” from the early Universe

Źródło: Astrobites

Na ilustracji: Kolorowy obraz dwóch fragmentów (północny + północno-zachodni) soczewkowanej galaktyki Błysk Słońca uzyskany za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam. Strzałki wskazują pięć kopii rodzącej się gwiazdowej gromady kulistej, czyli proto-gromady kulistej (ang. proto-globular cluster), w której zaobserwowano linie widmowe charakterystyczne dla gwiazd Wolfa Rayeta. Źródło: arXiv:2404.08884 [astro-ph.GA]